JP6565860B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、アノードガスを燃料電池（燃料電池スタック）のアノードに供給するアノードガス供給系に対して、燃料電池のアノードで消費されなかったアノードオフガスをアノードガス循環系に有する循環ポンプを介してアノードガス供給系に循環させる燃料電池システムが開発されている。アノードオフガスは、燃料電池反応で生成された生成水の水分を含んでいるので、燃料電池システムを長期間運転すると、アノードガス循環系（特に循環ポンプの近傍）に液水が滞留する場合がある。特許文献１には、アノードガス循環系に滞留した液水を、循環ポンプの回転数を上昇させて排水させることが記載されており、特に、滞留する水分量が所定値以上と判断された場合に、循環ポンプの上昇率を制限することが記載されている。

特開２０１６−９５９９９号公報

ところで、本願の発明者は、燃料電池システムを起動し、暖機運転するときに、燃料電池から排出されるアノードオフガスの温度に比べて循環ポンプの温度が低いため、アノードガス循環系に大量の結露水が発生することを見出した。このような結露水は、特に外気温が低く燃料電池と循環ポンプの温度差が大きい場合に多く発生する。また、大量の結露水を循環ポンプで排出しようとすると、循環ポンプに異音が発生するおそれがある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給流路と、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードガス排出流路と、前記アノードガス供給流路と前記アノードガス排出流路とを接続するアノードガス循環流路と、前記アノードガス循環流路に設けられ、前記アノードオフガスを前記アノードガス供給流路に供給する循環ポンプと、前記燃料電池の温度を測定する第１温度センサと、前記循環ポンプの温度を測定する第２温度センサと、前記燃料電池システムの各機器を制御する制御部とを備える。前記制御部は、前記燃料電池システムを起動して暖機運転するとき、（ａ）前記第１温度センサにより測定された温度である第１温度と、前記第２温度センサにより測定された温度である第２温度と、を取得する処理と、（ｂ）前記第１温度と前記第２温度が同じ温度の場合には、前記循環ポンプの回転数を基準回転数に設定し、前記第１温度と前記第２温度が同じ温度でない場合には、前記第１温度が同じ温度であれば前記第１温度と前記第２温度との温度差が大きいほど、及び、前記温度差が同じであれば前記第１温度が高いほど、前記基準回転数よりも回転数が高くなるように前記循環ポンプの回転数を設定して、前記循環ポンプを制御する処理と、を繰り返して実行し、前記循環ポンプを前記基準回転数で回転させる条件が満たされた場合には、前記循環ポンプの回転数を前記基準回転数にする。
燃料電池システムが起動されて暖機運転するときには、燃料電池が暖まり、アノードオフガスの温度が上昇する。アノードオフガスが循環ポンプに達すると、アノードオフガスが循環ポンプによって冷やされて結露する。一方、循環ポンプは、アノードオフガスにより暖められて、温度が上昇する。最終的には、アノードオフガスの温度と循環ポンプの温度はほぼ一致し、循環ポンプに新たな結露が生じなくなる。したがって、アノードオフガスの温度が上昇すると循環ポンプで生成する結露水の量が増加し、その後、循環ポンプの温度が上昇して、アノードオフガスの温度と循環ポンプの温度の温度差が減少に転ずると、生成する結露水の量が減少する。ここで、結露水の生成量は、第１温度と第２温度の温度差が大きいほど多い。
この形態によれば、（ａ）第１温度センサにより測定された温度である第１温度と、第２温度センサにより測定された温度である第２温度と、を取得する処理と、（ｂ）第１温度と第２温度が同じ温度の場合には、循環ポンプの回転数を基準回転数に設定し、第１温度と第２温度が同じ温度でない場合には、第１温度が同じ温度であれば第１温度と第２温度との温度差が大きいほど、及び、温度差が同じであれば第１温度が高いほど、基準回転数よりも回転数が高くなるように循環ポンプの回転数を設定して、循環ポンプを制御する処理と、を繰り返して実行するので、循環ポンプに大量の結露水が蓄積する前に循環ポンプを高回転で回転させることができ、水、水蒸気を排出でき、異音を発生し難くできる。

（２）上記形態において、前記制御部は、前記処理（ｂ）において、（ｂ−１）温度と飽和水蒸気量との関係を用いて、前記第１温度における飽和水蒸気量と前記第２温度における飽和水蒸気量の差を算出し、（ｂ−２）前記飽和水蒸気量の差が大きいほど前記循環ポンプの回転数が高くなるように前記循環ポンプの回転数を制御してもよい。
水蒸気が実際に結露するときに生成する結露水の量は、飽和水蒸気量の差以下である。この形態によれば、飽和水蒸気量の差を基準に循環ポンプの回転数を制御するので、水が循環ポンプに蓄積する前に循環ポンプを高回転で回転させることができ、水、水蒸気を排出できる。

（３）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給流路と、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードガス排出流路と、前記アノードガス供給流路と前記アノードガス排出流路とを接続するアノードガス循環流路と、前記アノードガス循環流路に設けられ、前記アノードオフガスを前記アノードガス供給流路に供給する循環ポンプと、前記燃料電池の温度と前記循環ポンプの温度との少なくとも一方を測定する温度センサと、前記燃料電池システムの各機器を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記燃料電池システムを起動して暖機運転するとき、前記温度センサにより測定された温度に基づいて予め定められている前記循環ポンプの回転数の遷移パターンに従って、前記循環ポンプの回転数を制御する。
本形態によれば、制御部は、燃料電池システムを起動して暖機運転するとき、制御部は、温度センサにより測定された温度に基づいて予め定められている循環ポンプの回転数の遷移パターンに従って、循環ポンプの回転数を制御するので、循環ポンプに大量の水が蓄積する前に循環ポンプを高回転で回転させることができ、アノードオフガス中の水、水蒸気を排出でき、異音を発生し難くできる。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法等の種々の形態で実現することができる。

燃料電池システムの構成を示す概略図。 アノードガス循環系の循環ポンプ及び気液分離部を拡大して示す説明図。 燃料電池システムの起動後の燃料電池の第１温度と循環ポンプの第２温度の変化の一例を示すグラフ。 温度と飽和水蒸気量との関係を示すグラフ。 燃料電池システムの起動後の燃料電池の第１温度と循環ポンプの第２温度の温度差と、生成する結露水の量の時間変化を示す説明図。 第１実施形態の制御フローチャート。 第１温度における飽和水蒸気量と第２温度における飽和水蒸気量の差と、飽和水蒸気量の差に対応する循環ポンプの加算回転数との関係を示すグラフ。 第２実施形態の制御フローチャート。 第３実施形態の制御フローチャート。 ステップＳ１２５、Ｓ１３０における循環ポンプの回転数の遷移パターンを示すグラフ。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。本実施形態において、燃料電池システム１００は車両（「燃料電池車両」とも呼ぶ）に搭載されている。燃料電池システム１００は、車両の運転者からのアクセル（不図示）による要求（以下、「アクセル位置」とも呼ぶ）に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。

燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス循環系６０と、冷媒循環系７０と、電力充放電系８０とを備える。

燃料電池１０は、燃料ガス（「アノードガス」とも呼ぶ）としての水素と酸化ガス（「カソードガス」とも呼ぶ）としての空気（厳密には酸素）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。以下、アノードガスとカソードガスとをまとめて「反応ガス」とも呼ぶ。燃料電池１０は、複数の単セル１１が積層されたスタック構造を有する。本実施形態において、燃料電池１０は、いわゆるカウンターフロー型の燃料電池であり、アノードガスとカソードガスが対抗して逆向きに流れる。通常、燃料電池１０は、各単セル１１の面に沿って、アノードガスが上側から下側を向いて流れ、カソードガスが下側から上側を向いて流れるように配置される。なお、燃料電池１０には、反応ガスや冷媒のためのマニホールドが積層方向に沿った貫通孔として形成されるが、図示は省略する。

単セル１１は、図示は省略するが、基本的に、発電体としての膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、セパレータで挟持した構成を有している。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる固体高分子型電解質膜（単に「電解質膜」とも呼ぶ）と、電解質膜のアノード側の面上に形成された触媒層及びガス拡散層からなるアノードと、電解質膜のカソード側の面上に形成された触媒層及びガス拡散層からなるカソードと、で構成される。また、セパレータとガス拡散層に接する面には、アノードガスやカソードガスを流す溝状のガス流路が形成されている。ただし、セパレータとガス拡散層との間に、ガス流路部が別途設けられる場合もある。

制御部２０は、以下に説明するカソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス循環系６０と、冷媒循環系７０と、を構成する各機器を制御して、システムに対する外部からの出力要求に応じた電力を燃料電池１０に発電させる制御装置である。制御部２０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータを用いて、各種制御に対応するソフトウェアを実行し、全体制御部や、カソードガス供給系３０及びカソードガス排出系４０を制御するカソードガス制御部、アノードガス供給系５０及びアノードガス循環系６０を制御するアノードガス制御部、冷媒循環系７０を制御する冷媒制御部等を、ソフトウェア的な構成で実現することができる。

カソードガス供給系３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、エアフロメータ３３と、開閉弁３４と、圧力計測部３５とを備える。カソードガス配管３１は、燃料電池１０のカソード側の供給用マニホールドに接続された配管である。

エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されている。エアコンプレッサ３２は、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池１０に供給する。エアフロメータ３３は、エアコンプレッサ３２の上流側において、エアコンプレッサ３２が取り込む外気の量を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、この計測値に基づいて、エアコンプレッサ３２を駆動することにより、燃料電池１０に対する空気の供給量を制御する。

開閉弁３４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられている。開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。圧力計測部３５は、エアコンプレッサ３２から供給される空気の圧力を、燃料電池１０のカソード側の供給用マニホールドの入口近傍において計測し、制御部２０に出力する。

カソードガス排出系４０は、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３と、圧力計測部４４とを備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池１０のカソード側の排出用マニホールドに接続された配管である。カソード排ガス（「カソードオフガス」とも呼ぶ）は、カソード排ガス配管４１を介して、燃料電池システム１００の外部へと排出される。

調圧弁４３は、制御部２０によって、その開度が制御されており、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）を調整する。圧力計測部４４は、調圧弁４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測結果を制御部２０に出力する。制御部２０は、圧力計測部４４の計測値に基づいて、調圧弁４３の開度を調整することにより、燃料電池１０に供給する空気の圧力を制御する。

アノードガス供給系５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とを備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池１０のアノード側の供給用マニホールド（図示は省略）の入口と接続されており、タンク内に充填された水素を燃料電池１０に供給する。なお、アノードガス配管５１が本発明の「アノードガス供給流路」に相当する。

開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とは、アノードガス配管５１に、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、制御部２０からの指令により開閉し、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部２０によって制御される。

水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成することができる。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５を制御することによって、燃料電池１０に供給される水素の流量を制御する。

アノードガス循環系６０は、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、循環ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６と、圧力計測部６７と、ポンプ温度センサ６８とを備える。アノードガス循環系６０は、発電反応に用いられることなく燃料電池１０のアノードから排出される未反応ガス（水素や窒素など）や排水を含むアノード排ガス（「アノードオフガス」とも呼ぶ）の循環および排出を行う。

アノード排ガス配管６１は、気液分離部６２と燃料電池１０のアノード側排出用マニホールド（図示は省略）の出口とを接続する配管である。気液分離部６２は、アノードガス循環配管６３とアノード排水配管６５とに接続されている。気液分離部６２は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については、アノードガス循環配管６３へと誘導し、水分についてはアノード排水配管６５へと誘導する。なお、アノード排ガス配管６１が本発明の「アノードガス排出流路」に相当する。

アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１の水素供給装置５５より下流に接続されている。アノードガス循環配管６３には、循環ポンプ６４が設けられている。気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素は、循環ポンプ６４によってアノードガス配管５１へと送り出され、アノードガスとして再利用される。なお、アノードガス循環配管６３が本発明の「アノードガス循環流路」に相当する。

アノード排水配管６５は、気液分離部６２において分離された水分を燃料電池システム１００の外部へと排出するための配管である。アノード排水配管６５には、排水弁６６が設けられている。制御部２０は、通常は、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。

アノードガス循環系６０の圧力計測部６７は、アノード排ガス配管６１に設けられている。圧力計測部６７は、燃料電池１０の水素マニホールドの出口近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池１０のアノード側の背圧）を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、アノードガス循環系６０の圧力計測部６７の計測値や、前述したアノードガス供給系５０の圧力計測部５６の計測値に基づいて燃料電池１０に対する水素の供給を制御する。

また、ポンプ温度センサ６８は、循環ポンプ６４のケーシングの温度を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、ポンプ温度センサ６８と、後述するＦＣ出口温度センサ７６ａの計測値に基づいて、後述するように、循環ポンプ６４の回転数を制御する。ポンプ温度センサ６８が、第２温度センサに対応する。

冷媒循環系７０は、冷媒用配管７１と、ラジエータ７２と、冷媒循環用ポンプ７５と、を備える。冷媒用配管７１は、ラジエータ７２より上流側の上流側配管７１ａと、下流側の下流側配管７１ｂとを備える。上流側配管７１ａは、ラジエータ７２の入口と燃料電池１０の冷媒用排出用マニホールド（図示は省略）の出口とを接続する。下流側配管７１ｂは、ラジエータ７２の出口と燃料電池１０の冷媒用供給用マニホールド（図示は省略）の入口とを接続する。

ラジエータ７２は、冷媒用配管７１を流れる冷媒と外気との間で熱交換させることにより冷媒を冷却する。冷媒循環用ポンプ７５は、下流側配管７１ｂの途中に設けられ、ラジエータ７２において冷却された冷媒を燃料電池１０に送り出す。ＦＣ出口温度センサ７６ａは上流側配管７１ａに設けられており、ＦＣ入口温度センサ７６ｂは下流側配管７１ｂに設けられている。ＦＣ出口温度センサ７６ａとＦＣ入口温度センサ７６ｂはそれぞれ、計測した冷媒の温度を制御部２０へ送信する。制御部２０は、ＦＣ出口温度センサ７６ａとＦＣ入口温度センサ７６の計測値（冷媒の温度）に基づいて、ラジエータ７２の動作を制御する。

電力充放電系８０は、負荷装置としての駆動モータ８２と、インバータ（ＩＮＶ）８４と、二次電池８６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８８とを備える。燃料電池１０は直流配線ＤＣＬを介してインバータ８４に電気的に接続されており、二次電池８６はＤＣ／ＤＣコンバータ８８を介して直流配線ＤＣＬに電気的に接続されている。

二次電池８６は、燃料電池１０の出力電力や、駆動モータ８２の回生電力によって充電され、燃料電池１０とともに電力源として機能する。二次電池８６は、例えばリチウムイオン電池で構成することができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ８８は、制御部２０の指令に基づいて、燃料電池１０の電流・電圧を制御するとともに、二次電池８６の充・放電を制御し、直流配線ＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。インバータ８４は、燃料電池１０と二次電池８６とから得られた直流電力を交流電力へと変換し、駆動モータ８２に供給する。駆動モータ８２はアクセル位置に対応してインバータ８４から供給された電力に応じて、ギア等を介して接続された車輪ＷＬを駆動する。また、駆動モータ８２によって回生電力が発生する場合には、インバータ８４は、その回生電力を直流電力に変換し、ＤＣ／ＤＣコンバータ８８を介して二次電池８６に充電する。

以上説明した燃料電池システム１００は、制御部２０によって、カソードガス供給系３０及びカソードガス排出系４０や、アノードガス供給系５０及びアノードガス循環系６０、電力充放電系８０が制御されて、アクセル位置に応じて、車両の動力源となる電力を燃料電池１０から出力することができる。以下では、この燃料電池システム１００の作動中において、アノードガス循環系６０によるアノードガス（水素）の循環量を増加するために循環ポンプ６４の回転数を上昇させる際の処理について説明を加える。

図２は、アノードガス循環系６０の循環ポンプ６４及び気液分離部６２を拡大して示す説明図である。循環ポンプ６４は、ルーツ式のポンプであり、吸入口６４１と、羽根車６４２、６４３と、送出口６４４と、を備える。燃料電池１０の下部のアノード側の排出マニホールドの出口（不図示）に接続されたアノード排ガス配管６１は、気液分離部６２の下部に接続されている。気液分離部６２の鉛直方向上部に接続された第１のアノードガス循環配管６３ａは、循環ポンプ６４の鉛直方向下部の吸入口６４１に接続されている。循環ポンプ６４の上部の送出口６４４に接続された第２のアノードガス循環配管６３ｂは、アノードガス配管５１（図１）に連結され、燃料電池１０の上部のアノード側の供給用マニホールドの入口（不図示）に接続されている。すなわち、循環ポンプ６４は、下部の吸入口６４１から吸入された水素を上部の送出口６４４から送出する構造となるように配置されている。

燃料電池システム１００の起動後、特に暖機運転時には、循環ポンプ６４が暖まっていない。この状態で燃料電池１０から排出される暖かい湿ったアノードオフガスが流れてくると、アノードオフガス中の水蒸気が循環ポンプ６４内で結露して、循環ポンプ６４に水が溜まる。そして、循環ポンプ６４内の水の量によっては、羽根車６４２、６４３に水が噛み、異音が発生する。かかる場合には、循環ポンプ６４の回転数を上げることにより、アノードオフガス中の水蒸気や、結露により生じた水を排出すれば、循環ポンプ６４内の水が減少して異音が発生し難くなる。

図３は、燃料電池システム１００の起動後の燃料電池１０の第１温度Ｔ１と循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２の変化の一例を示すグラフである。燃料電池１０の第１温度Ｔ１は、ＦＣ出口温度センサ７６ａにより測定される。ここで、燃料電池１０の第１温度Ｔ１は、燃料電池１０から排出される冷媒の温度とほぼ等しいと考えられる。ＦＣ出口温度センサ７６ａが、燃料電池１０の温度を測定する第１温度センサに対応する。第１温度センサは、燃料電池１０の温度を直接または間接的に測定可能であればよく、冷媒循環系７０の上流側配管７１ａ以外の箇所（例えば燃料電池１０そのもの）に第１温度センサを設ける様にしてもよい。燃料電池システム１００がｔ０で起動すると、電気化学反応により生じた熱により、燃料電池１０の第１温度Ｔ１が高くなっていく。なお、燃料電池１０は、冷媒循環系７０により冷却されるため、第１温度Ｔ１は、ある温度以上には上昇しない。図３に示す例では、時刻ｔ２以降は、第１温度Ｔ１は、ほぼ同じ温度である。

燃料電池１０から排出されたアノードオフガスが循環ポンプ６４に達すると、アノードオフガスが循環ポンプ６４を暖めるため、循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２は、上昇する。循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２は、燃料電池１０の第１温度Ｔ１の上昇よりも少し遅れて時刻ｔ１から上昇する。なお、循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２は、アノードオフガスの温度とほぼ等しくなると、それ以上は上昇しない。本実施形態では、時刻ｔ４で循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２は、燃料電池１０の第１温度Ｔ１とほぼ等しくなる。

燃料電池１０の第１温度Ｔ１と循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２との温度差ΔＴは、燃料電池システム１００の起動直後は、第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２とがほぼ外気温と同じであるため、ほぼゼロである。その後、第１温度Ｔ１が上昇し始め、第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２との温度差ΔＴは、増大する。第２温度Ｔ２は、時刻ｔ１になると、第１温度Ｔ１に遅れて上昇する。その後、第１温度Ｔ１が上昇しなくなっても、第２温度Ｔ２は、第１温度Ｔ１とほぼ等しくなるまで上昇する。この間は、第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２との温度差ΔＴは減少し、最後にほぼゼロとなる。すなわち、燃料電池１０の第１温度Ｔ１と循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２との温度差ΔＴは、燃料電池システム１００の起動後、ゼロから増大し、その後、減少してゼロとなる。なお、時刻ｔ１からｔ２の間は、燃料電池１０の発熱量と、循環ポンプ６４の熱容量により、（ａ）第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２との温度差ΔＴがほぼ一定の場合、（ｂ）ΔＴが増加する場合、（ｃ）ΔＴが減少する場合、がありえる。図３において、時刻ｔ３は、暖機運転を終了する時刻である。例えば、暖機運転は、燃料電池１０の第１温度Ｔ１がほぼ一定となり、第２温度Ｔ２が予め定められた温度以上となったときに終了される。なお、暖機運転の終了は、他の条件に応じて決定してもよい。

図４は、温度と飽和水蒸気量との関係を示すグラフである。飽和水蒸気量は、1ｍ^３の空間に存在できる水蒸気の質量を［ｇ］で表したものである。なお、飽和水蒸気量は、飽和水蒸気圧と比例する。飽和水蒸気量は、温度が高いほど大きい。飽和状態の水蒸気を含むガスの温度が下がると、ガス中に含まれることができなくなった水蒸気が結露する。ここで、飽和状態の水蒸気を含むガスの温度が同じ温度だけ下がった場合、下がる前の温度が高いほど結露する水の量が多い。図４では、例として、Ｔ１ａ（５０℃）からＴ２ａ（２０℃）にΔＴａ（＝３０℃）下がりΔＭａの結露水が生成する場合と、Ｔ１ｂ（６０℃）からＴ２ｂ（３０℃）にΔＴｂ（＝３０℃）下がりΔＭｂの結露水が生成する場合とを記載している。これらを比較すると、温度が下がるときの温度の変化ΔＴａ、ΔＴｂは、いずれも３０℃で同じであるが、結露する結露水の量は、ΔＭａ（≒３３ｇ）＜ΔＭｂ（≒５０ｇ）であり、Ｔ１ｂ（６０℃）からＴ２ｂ（３０℃）に下がる方が、Ｔ１ａ（５０℃）からＴ２ａ（２０℃）に下がるよりも多い。温度が下がるときの温度の変化が同じであっても、どの温度から下がるかにより、結露水の量は異なる。なお、実際のアノードオフガスの水蒸気圧が飽和水蒸気圧に達していない場合もあるので、飽和水蒸気量の差は、結露水の最大量を表している。

図５は、燃料電池システム１００の起動後の燃料電池１０の第１温度Ｔ１と循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２の温度差ΔＴと、生成する結露水の量ΔＭの時間変化を示す説明図である。燃料電池１０の第１温度Ｔ１と循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２の温度差ΔＴは、上述したように、燃料電池システム１００の起動後、０℃から増加し、時刻ｔ２で最大となり、その後、０℃に減少する。生成する結露水の量ΔＭも、時刻ｔ２で最大となり、その後減少し、時刻ｔ４で温度差ΔＴがゼロとなったときにゼロとなる。但し、図４に示した様に、温度が高いほど温度差に対する結露水の量が多いため、時刻ｔ２に近づくにつれて生成する結露水の量は急激に増え、時刻ｔ４に近づくにつれて生成する結露水の量は急激に減少する。

図６は、第１実施形態の制御フローチャートである。ステップＳ１００で燃料電池システム１００が起動されると、制御部２０は、暖機運転を開始する。暖機運転とは、熱損失を意図的に増大させることによって、燃料電池１０を急速に暖機するための運転である。暖機運転は、例えば通常運転に比べて燃料電池１０へのカソードガスの供給量を絞ることにより行うことができる。ステップＳ１１０では、制御部２０は、循環ポンプ６４の回転数を、基準回転数Ｒ１とする。循環ポンプ６４を回転させると、駆動音が発生する。この回転数が高いと、駆動音として目立つ。基準回転数Ｒ１は、燃料電池システム１００の起動後において、循環ポンプ６４が発生させる駆動音を目立ち難くできる回転数である。

ステップＳ１２０では、制御部２０は、燃料電池１０の第１温度Ｔ１と、循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２とを取得する。ステップＳ１４０では、制御部２０は、第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２とを用いて、循環ポンプ６４の回転数Ｒを設定し、設定した回転数で循環ポンプ６４を回転させる。第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２と、循環ポンプ６４の回転数Ｒとの関係は、予め実験等により求められており、例えばルックアップテーブルやマップとして、制御部２０に格納されている。循環ポンプ６４を回転数Ｒは、（ａ）第１温度Ｔ１（あるいは第２温度Ｔ２）が同じ温度の時には、第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２との温度差ΔＴが大きいほど高く、（ｂ）第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２との温度差が同じ時には、第１温度Ｔ１（あるいは第２温度Ｔ２）が高いほど高い。

ステップＳ１５０では、制御部２０は、循環ポンプ６４を基準回転数で回転させる条件が満たされたか否かを判断する。例えば、循環ポンプ６４を基準回転数で回転させる条件は、燃料電池１０の第１温度Ｔ１が予め定められた温度以上であり、且つ燃料電池１０の第１温度Ｔ１と循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２との差が予め定められた温度以下の場合、あるいは循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２が予め定められた温度以上の場合である。ただし、循環ポンプ６４を基準回転数で回転させる条件は、これらの条件以外であってもよい。循環ポンプ６４を基準回転数で回転させる条件を満たした場合には、制御部２０は、ステップＳ１６０に移行し、循環ポンプ６４を基準回転数Ｒ１で回転させる。その後、燃料電池システム１００を搭載した車両が、走行状態となり、燃料電池１０の発電量が増加した場合には、制御部２０は、燃料電池１０の発電量に応じて、循環ポンプ６４の回転数を増大させる。走行状態になれば、走行音により、循環ポンプ６４の回転による音は目立たなくなる。循環ポンプ６４を基準回転数で回転させる条件を満たしていない場合には、ステップＳ１２０に戻り、同様のステップ（処理）を繰り返す。

結露水の生成量ΔＭは、燃料電池１０の第１温度Ｔ１と、循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２との温度差ΔＴが大きいほど多い。第１実施形態によれば、制御部２０は、第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２が同じ温度の場合には、循環ポンプ６４の回転数を基準回転数Ｒ１に設定し、第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２が同じ温度でない場合には、第１温度Ｔ１が同じ温度であれば第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２との温度差ΔＴが大きいほど、及び、温度差ΔＴが同じであれば第１温度Ｔ１が高いほど、基準回転数Ｒ１よりも回転数が高くなるように循環ポンプ６４の回転数Ｒを設定し、設定した回転数で循環ポンプ６４を回転させるので、結露水の生成量ΔＭが多いときに、循環ポンプの回転数Ｒを上昇させことができ、水を排出しやすい。

Ｂ．第２実施形態：
第１実施形態では、制御部２０は、燃料電池１０の第１温度Ｔ１と、循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２と、を取得し、第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２とを用いて、循環ポンプ６４の回転数Ｒを設定し、設定した回転数で循環ポンプ６４を回転させた。これに対し、第２実施形態では、制御部２０は、第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２とを用いて、第１温度Ｔ１における飽和水蒸気量と第２温度Ｔ２における飽和水蒸気量との差ΔＷを算出し、飽和水蒸気量の差ΔＷから循環ポンプ６４の加算回転数ΔＲを算出し、循環ポンプ６４を回転数（Ｒ１＋ΔＲ１）で回転させる。

図７は、第１温度における飽和水蒸気量と第２温度における飽和水蒸気量の差ΔＷと、飽和水蒸気量の差ΔＷに対応する循環ポンプ６４の加算回転数ΔＲとの関係を示すグラフである。飽和水蒸気量の差ΔＷと加算回転数ΔＲとは、ほぼ比例している。こうすれば、飽和水蒸気量の差ΔＷに応じて、循環ポンプ６４の回転数を大きくできる。但し、飽和水蒸気量の差ΔＷと加算回転数ΔＲとは、飽和水蒸気量の差ΔＷが増大すれば加算回転数ΔＲも増大する曲線状の関係を有していてもよい。

図８は、第２実施形態の制御フローチャートである。図６に示す第１実施形態の制御フローチャートと比較すると、ステップＳ１４０を備えない代わりに、ステップＳ１３５、Ｓ１４５を備える。ステップＳ１３５では、制御部２０は、第１温度Ｔ１における飽和水蒸気量と、第２温度Ｔ２における飽和水蒸気量との差ΔＷを算出する。ステップＳ１４５では、図７に示すグラフを用いて、飽和水蒸気量の差ΔＷから加算回転数ΔＲを算出し、循環ポンプ６４を回転数（Ｒ１＋ΔＲ１）で回転させる。

以上、第２実施形態によれば、制御部２０は、燃料電池システム１００が起動されて暖機運転するときに、循環ポンプ６４の回転数を、予め定められた基準回転数Ｒ１から飽和水蒸気量の差ΔＷに応じた加算回転数ΔＲ分上昇させるように制御する。実際のアノードオフガスに含まれる水蒸気の量は、飽和水蒸気量以下である。したがって、アノードオフガスに含まれている水蒸気が実際に結露するときに生成する結露水の量は、飽和水蒸気量の差ΔＷ以下である。したがって、この飽和水蒸気量の差ΔＷを基準に循環ポンプ６４の加算回転数ΔＲを算出し、循環ポンプ６４を回転数（Ｒ１＋ΔＲ１）で回転させれば、第１実施形態よりも確実に、水が循環ポンプ６４に蓄積する前に水や水蒸気を排出できる。その結果、循環ポンプ６４内で異音を発生させにくくできる。

第２実施形態では、飽和水蒸気量の差ΔＷと、飽和水蒸気量の差ΔＷに対応する循環ポンプ６４の加算回転数ΔＲとの関係を示すグラフを用いたが、飽和水蒸気量の差ΔＷと、飽和水蒸気量の差ΔＷに対応する循環ポンプ６４の回転数（Ｒ１＋ΔＲ１）との関係を示すグラフを用いてもよい。

Ｃ．第３実施形態：
第１実施形態では、制御部２０は、燃料電池１０の第１温度Ｔ１と、循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２と、を取得し、第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２とを用いて、循環ポンプ６４の回転数Ｒを設定し、設定した回転数で循環ポンプ６４を回転させた。第３実施形態では、制御部２０は、燃料電池１０の第１温度Ｔ１と、循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２との少なくとも一方の温度に基づいた予め循環ポンプ６４の回転数の遷移パターンを決めておき、その遷移パターンに基づいて循環ポンプ６４の回転数を制御する。

図９は、第３実施形態の制御フローチャートである。Ｓ１４０、Ｓ１５０を備えない代わりにステップＳ１２５、Ｓ１３０を備えている点が異なる。なお、ステップＳ１２０では、燃料電池１０の第１温度Ｔ１と、循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２との少なくとも一方を測定する。ステップＳ１２５では、時刻ｔ５の時に循環ポンプ６４の回転数が基準回転数Ｒ１よりも高い回転数Ｒ２となるように、循環ポンプ６４の回転数の遷移パターンに従って循環ポンプ６４の回転数を上昇させる。ステップＳ１３０では、時刻ｔ６の時に循環ポンプ６４の回転数がＲ１となるように、循環ポンプ６４の回転数の遷移パターンに従って循環ポンプ６４の回転数を下降させる。これらの遷移パターンは、燃料電池システム１００の起動時における燃料電池１０の第１温度Ｔ１と、循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２に基づいて、複数の遷移パターンが準備されており、測定された燃料電池１０の第１温度Ｔ１と、循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２の少なくとも一方に基づいて選択される。

図１０は、ステップＳ１２５、Ｓ１３０における循環ポンプ６４の回転数の遷移パターンを示すグラフである。この遷移パターンの基準回転数Ｒ１よりも上の部分の形状は、図５における結露水の量に類似している。なお、図１０の時刻ｔ５は、図５の時刻ｔ２と同じ時刻でなくてもよく、図１０の時刻ｔ６は、図５の時刻ｔ４と同じ時刻でなくてもよい。但し、時刻ｔ５が時刻ｔ２とほぼ一致し、時刻ｔ６が時刻ｔ４とほぼ一致することが好ましい。例えば、実験により、時刻ｔ５が時刻ｔ２とほぼ一致し、時刻ｔ６が時刻ｔ４とほぼ一致するように、回転数の遷移パターンを定めることができる。このように、第３実施形態における循環ポンプ６４の回転数の遷移パターンは、第１実施形態あるいは第２実施形態において循環ポンプ６４の回転数のどのように遷移したかを実験により取得し、この実験の結果から作成されることが好ましい。そのため、循環ポンプ６４の回転数の遷移パターンは、生成する結露水の量にほぼ準じたパターンとなり、循環ポンプ６４に大量の水が蓄積する前に高回転で水を排出でき、異音を発生し難くできる。

なお、結露水の生成量は、燃料電池システム１００の起動時における燃料電池１０の第１温度Ｔ１や循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２により異なる可能性がある。そのため、制御部２０は、循環ポンプ６４の回転数の遷移パターンとして、燃料電池システム１００の起動時における燃料電池１０の第１温度Ｔ１や循環ポンプ６４の第２温度Ｔ２の少なくとも一方に応じて複数の遷移パターンを有している。

Ｄ．変形例：
（１）変形例１
上記実施形態では、燃料電池１０から排出される冷媒の温度を燃料電池１０の第１温度Ｔ１として測定しているが、結露に関するのは、アノードオフガスの温度である。したがって、アノードオフガスの温度を測定する温度センサを備え、その温度センサの測定値を燃料電池１００の第１温度Ｔ１として利用してもよい。

（２）変形例２
上記実施形態において、制御部２０は、マイクロコンピュータを用いて、各種制御に対応するソフトウェアを実行し、全体制御部や、カソードガス供給系３０及びカソードガス排出系４０を制御するカソードガス制御部、アノードガス供給系５０及びアノードガス循環系６０を制御するアノードガス制御部、冷媒循環系７０を制御する冷媒制御部等を、ソフトウェア的な構成で実現する構成として説明した。しかしながら、制御部２０は、カソード制御部やアノード制御部、冷媒制御部等の各制御部を、それぞれ、専用の処理回路により、ハードウェア的な構成で実現するようにしてもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池
１１…単セル
２０…制御部
３０…カソードガス供給系
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…開閉弁
３５…圧力計測部
４０…カソードガス排出系
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
４４…圧力計測部
５０…アノードガス供給系
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６０…アノードガス循環系
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３，６３ａ，６３ｂ…アノードガス循環配管
６４…循環ポンプ
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
６７…圧力計測部
６８…ポンプ温度センサ
７０…冷媒循環系
７１…冷媒用配管
７１ａ…上流側配管
７１ｂ…下流側配管
７２…ラジエータ
７５…冷媒循環用ポンプ
７６ａ…ＦＣ出口温度センサ（第１温度センサ）
７６ｂ…ＦＣ入口温度センサ
８０…電力充放電系
８２…駆動モータ
８４…インバータ
８６…二次電池
８８…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１００…燃料電池システム
６４１…吸入口
６４２、６４３…羽根車
６４４…送出口
ＷＬ…車輪
ＤＣＬ…直流配線
Ｒ１…基準回転数
Ｒ２…基準回転数よりも高い回転数

Claims (3)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給流路と、
   前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードガス排出流路と、
   前記アノードガス供給流路と前記アノードガス排出流路とを接続するアノードガス循環流路と、
   前記アノードガス循環流路に設けられ、前記アノードオフガスを前記アノードガス供給流路に供給する循環ポンプと、
   前記燃料電池の温度を測定する第１温度センサと、
   前記循環ポンプの温度を測定する第２温度センサと、
   前記燃料電池システムの各機器を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池システムを起動して暖機運転するとき、
   （ａ）前記第１温度センサにより測定された温度である第１温度と、前記第２温度センサにより測定された温度である第２温度と、を取得する処理と、
   （ｂ）前記第１温度と前記第２温度が同じ温度の場合には、前記循環ポンプの回転数を基準回転数に設定し、前記第１温度と前記第２温度が同じ温度でない場合には、前記第１温度が同じ温度であれば前記第１温度と前記第２温度との温度差が大きいほど、及び、前記温度差が同じであれば前記第１温度が高いほど、前記基準回転数よりも回転数が高くなるように前記循環ポンプの回転数を設定して、前記循環ポンプを制御する処理と、
   を繰り返して実行し、
   前記循環ポンプを前記基準回転数で回転させる条件が満たされた場合には、前記循環ポンプの回転数を前記基準回転数にする、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記処理（ｂ）において、
   （ｂ−１）温度と飽和水蒸気量との関係を用いて、前記第１温度における飽和水蒸気量と前記第２温度における飽和水蒸気量の差を算出し、
   （ｂ−２）前記飽和水蒸気量の差が大きいほど前記循環ポンプの回転数が高くなるように前記循環ポンプの回転数を制御する、
   燃料電池システム。
3. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給流路と、
   前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードガス排出流路と、
   前記アノードガス供給流路と前記アノードガス排出流路とを接続するアノードガス循環流路と、
   前記アノードガス循環流路に設けられ、前記アノードオフガスを前記アノードガス供給流路に供給する循環ポンプと、
   前記燃料電池の温度と前記循環ポンプの温度のうちの少なくとも一方を測定する温度センサと、
   前記燃料電池システムの各機器を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池システムを起動して暖機運転するとき、前記温度センサにより測定された温度に基づいて予め定められている前記循環ポンプの回転数の遷移パターンに従って、前記循環ポンプの回転数を制御し、
   前記遷移パターンは、前記燃料電池が生成する結露水の量に準じたパターンであって、前記燃料電池の温度と前記循環ポンプの温度との温度差が最大となるまでは前記循環ポンプの回転数を基準回転数から増加させ、その後、前記循環ポンプの回転数を減少させるパターンである、
   燃料電池システム。

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